1894年9月15日晨，日軍按計劃發動總攻。戰役在三個戰場展開：

其一為大同江南岸（船橋裡）戰場。

其二為玄武門外戰場。

其三為城西南戰場。

9月15日凌晨3時，大島義昌指揮的日軍第九混成旅團分左、中、右三路向大同江南岸守壘清軍發起進攻。馬玉昆指揮的守壘清軍立即進行自衛還擊，大同江北岸清軍大砲也隔江遙擊，炮火極為猛烈。日軍進攻部隊暴露在壘前開闊地面，毫無掩蔽，傷亡慘重。日軍督隊官下令“寧死勿退” ，驅趕士兵，拼死衝擊。士兵被迫冒死向大道兩傍左、右翼堡壘發起衝鋒。守衛在大同江渡口橋頭堡及江北各壘清軍，互相配合，猛烈夾擊日軍，日軍死傷甚多。清軍見狀，從壘內衝出，發起反擊。日軍立現躊躕之色，逡巡後退。日軍司令官揮刀督戰，不准士兵後退，兩軍展開白刃格鬥。在雙方步兵進行鏖戰的同時，兩軍砲兵也展開激烈的砲戰。對射不久，日軍“砲兵中隊山本大尉以下二十四名被殺傷”。 同時，清軍派出增援部隊，補充了彈藥，士氣大振，火力愈強。而日軍自凌晨零時由宿營地出發，戰鬥已逾半日，早餐未進，飲水全無，士兵飢疲不堪，彈藥亦將用盡。尤其“中央隊戰線彈藥全部用盡，且將校多數傷亡”，已無力再戰。至午後1時，大島義昌只得下令退卻。午後2時，日軍全部狼狽退離戰場。這次進攻，日軍混成第九旅團“將校以下死者約一百四十名，傷者約二百九十名”。大同江南岸（船橋裡）戰鬥被評價為清軍在“甲午戰爭的陸戰中打得最好的一次戰鬥”，而日本人也為此作詩哀嘆道：“此役不克旗下死，嗚呼苦戰船橋裡”。

到午後2時，平壤的三個戰場的基本形勢是：大同江南岸戰場，馬玉昆所部毅軍擊潰了日軍進攻，獲得勝利；西南戰場，勝負未分；只有城北玄武門戰場各壘被攻陷，牡丹台、玄武門失守，但日軍尚未入城，對清軍來說戰事猶有可為。而且當時日軍已戰死189人，傷516人 ​​，清軍的傷亡並不比日軍多多少。且清軍彈藥、糧食足以守城1個月，而日軍彈藥、糧食即將告罄，加上當時平壤已經開始下雨，日軍冒雨露宿，處境極為困難。如清軍決心堅守，戰局很可能發生轉機。但是，牡丹台、玄武門的失守和左寶貴的陣亡，使清軍主帥葉志超嚇破了膽。他與眾將商議，決定棄城逃走，說：“北門咽喉既​​失，彈藥不齊，轉運不通，軍心驚懼，若敵兵連夜攻擊，何以御之？不若暫棄平壤，令彼驕心，養我銳志，再圖大舉，一氣成功也。”只有馬玉昆提出異議，但葉志超不聽。下午4時許，葉志超遂以朝鮮平安道監司閔丙奭的名義，派一朝鮮人冒雨送書於日軍元山支隊陣中，表示願意棄城撤退。佐藤正大佐接書讀之，然信被雨打濕而不可讀，佐藤正又付之傳令騎兵，送達於朔寧支隊立見尚文少將。立見閱之未畢，已見平壤各門皆已懸白旗。

1894年9月15日夜8時，清軍開始撤退。葉志超先已密傳各營，輕裝持械，趨夜而退。因事出匆忙，未能周知，加以大雨傾盆，清兵冒雨結隊成群，或自七星門、靜海門蜂擁而出，或由城牆攀越而去；或取甑山大道而走海岸，或由義州大道而向北奔。而日軍元山支隊埋伏於義州大道，第五師團主力部隊則埋伏於甑山大道，以截擊撤逃的清軍。

自15日晚間8時至翌日拂曉，清兵絡繹不絕，急奔直衝，結果走到埋伏圈，就遭日軍槍砲襲擊，清兵“迴旋不得出，以避彈故，團集愈緊，死亡愈眾”。據親歷此役的盛軍官員欒述善記述當時情況說：“陰雲密布，大雨傾盆。兵勇冒雨西行，恍似驚弓之鳥，不問路徑，結隊直衝。而敵兵忽聞人馬奔騰，疑為劫寨，各施槍砲，攔路截殺。各山口把守​​嚴密，勢如地網天羅，數次橫衝，無隙可入。且前軍遇敵擊，只好回頭向後；而後兵欲逃身命，直顧奔前。進退往來，頗形擁擠。黑夜昏暗，南北不分。如是彼來兵不問前面是敵人抑是己軍，放槍持刀，混亂相殺，深可憐憫。前行士卒，既遭敵槍，又中己炮，自相踐踏，冤屈誰知？當此之時，尋父覓子，呼兄喚弟，鬼哭神號，震動田野。人地稍熟者，覓朝鮮土人引路，均已脫網，驚懼無措，非投水自溺，則引刃自戕，甚至覓石碣碰頭，人樹林懸頸。死屍遍地，血水成渠，慘目傷心，不堪言狀！ ”

天明後，日軍巡閱戰場，僅箕子陵附近，二三百步間，清兵人馬屍體，累累如山，埋沒道路，溪流為紅。其屍體最為密集堆積者，在五十步以內伏尸百二十，斃馬三十頭，互相枕藉。據統計，僅僅在此一夜之間，清軍在逃跑路上被擊斃者達1500多人，並有683人被俘。其中，有119人係因傷被俘，25人傷重而死，3人病死，47人因企圖逃跑而被日軍槍殺。清軍被日軍虜獲的軍火、彈藥、糧食及其他各種物資不計其數。 9月16日晨，日軍元山支隊和朔寧支隊入城，山呼天皇萬歲，城中不僅無清兵一兵一卒，朝鮮居民也紛紛逃散，“這樣大的一個城池，極少看到韓人的影子，滿街都是生氣勃勃的日軍士兵”。清軍退至順安時，又遭日軍攔擊，損失慘重。而葉志超則馬不停蹄，一夜狂奔五百里，於16日逃至安州，在安州向朝廷謊報軍情稱：“倭人遽以三四萬之眾猛撲環攻”，“苦戰五晝夜”，“子盡糧絕，退出平壤”。然後又往義州逃跑，於21日渡鴨綠江逃到中國境內。至9月24日，清軍全部退過鴨綠江，日軍完全控制了朝鮮半​​島。

歷史影響：

整個平壤之戰持續時間很短，以清軍大敗告終，清軍死亡近2000人，被俘數百人，而日軍僅以傷亡700人左右的代價奪取了朝鮮北部重鎮——平壤。平壤之戰是甲午戰爭宣戰後的首次戰役，也是戰爭中中日兩國陸軍第一次大兵團作戰，對整個戰局影響深遠。 9月15日平壤之戰與9月17日的黃海海戰一起構成為中日甲午戰爭的轉折點。日軍通過戰勝清軍而控制了整個朝鮮，完全掌握了戰爭的主動權，士氣大振，並把戰火燒至鴨綠江，進一步侵略中國。而中國的勢力則因此戰役而被逐出朝鮮，並且致使元氣大傷，一蹶不振，其後陸戰幾乎連戰連敗，導致了甲午中日戰爭的全面失敗。

平壤之戰後，清政府一度聽信了葉志超的虛假戰報，降旨慰勉，其後被御史揭發其捏造戰功，被判斬監候。盛軍統帥衛汝貴亦以“臨敵退縮，以致全軍潰敗”、“剋扣軍餉”、“縱兵搶掠”的罪名被處斬。而左寶貴則被光緒帝追贈太子少保銜，賜諡號“忠壯”。 9月16日，日本明治天皇賜諭嘉獎平壤大捷，接著日軍進一步推進，將戰火燒至中國境內。